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項目名稱： 電磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合非線性力學(xué)行為的理論研究
推薦單位： 教育部
項目簡介： 本項目屬固體力學(xué)學(xué)科，與數(shù)學(xué)、物理、控制等學(xué)科密切關(guān)聯(lián)。
電磁材料結(jié)構(gòu)在電磁場環(huán)境中的力學(xué)行為是新型能源裝置以及智能結(jié)構(gòu)和器件研制的一個重要依據(jù)，并由于其明顯的多場耦合和非線性特征，導(dǎo)致一直缺乏可靠的定量預(yù)測，進而也影響到相關(guān)理論模型的正確建立。本項目通過研究：1）鐵磁可變形體的磁彈性廣義變分原理及磁力表征；2）超磁致伸縮材料的本構(gòu)關(guān)系；3）多場耦合非線性力學(xué)的定量分析方法；4）電磁材料結(jié)構(gòu)關(guān)鍵力學(xué)行為的理論揭示，實現(xiàn)了對具有多場耦合和多重非線性特征的電磁材料板殼結(jié)構(gòu)彎曲、失穩(wěn)、振動和控制等基本問題的定量分析，發(fā)現(xiàn)并定量揭示出電磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合問題的非線性本質(zhì)特征和按通常解耦方法處理所丟失的關(guān)鍵力學(xué)行為。
本項目針對鐵磁、超磁致伸縮材料和高溫超導(dǎo)體及其懸浮系統(tǒng)所建立的基本理論模型，解決了相關(guān)理論預(yù)測結(jié)果與實驗長期不符的難題，闡明了相關(guān)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為發(fā)生的機理；所提出的壓電小波控制模式，避免了傳統(tǒng)模式可能存在的控制失穩(wěn)。由此形成了一條對電磁材料結(jié)構(gòu)力學(xué)行為定量分析和預(yù)測的合理、完整、可行的研究路線，發(fā)展并推進了電動力學(xué)與連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有機結(jié)合，豐富并完善了電磁固體力學(xué)的理論框架和分析方法以及對其多場耦合非線性行為特有規(guī)律的認識，為改進相應(yīng)的設(shè)計標準和規(guī)范，以保證設(shè)計的可靠性和安全性提供了理論基礎(chǔ)和依據(jù)。
本項目發(fā)表論文135篇（SCI收錄75）、專著2 部。他引653次（SCI他引237），獲教育部提名國家科學(xué)技術(shù)獎勵自然科學(xué)一等獎。得到本領(lǐng)域著名學(xué)者Nayfeh、Noda和Shindo等的多次實質(zhì)性引用和評述（附件2.6-9）;所提出的磁彈性模型等被分別評價為：是自Maxwell提出電磁應(yīng)力張量以來，該領(lǐng)域幾項代表性進展中的最新的一個（附件2.1）、"建立了一個新的理論"（附件2.3）和"是便于應(yīng)用的"（附件2.4）等。促成日本應(yīng)用電磁材料與力學(xué)學(xué)會于1995年和2007年兩度向蘭州大學(xué)捐資共400萬日圓設(shè)立獎學(xué)金（附件4.5）。
主要發(fā)現(xiàn)點： 核心發(fā)現(xiàn)點一：發(fā)現(xiàn)了在磁場作用下可變形鐵磁體內(nèi)磁力的一組新的表征�；诒卷椖酷槍﹁F磁彈性耦合系統(tǒng)所提出的廣義變分原理，對難以由實驗直接測量得到的分布磁體力和磁邊界力，發(fā)現(xiàn)并給出了一組具有普適性的全新的正確表征公式。對這種由外加磁場在可變形鐵磁體內(nèi)所感應(yīng)出的磁力的表征，是磁彈性理論建立的關(guān)鍵。(電磁固體力學(xué), 代表性論文1)
核心發(fā)現(xiàn)點二：實現(xiàn)了對鐵磁結(jié)構(gòu)磁彈性力學(xué)三類典型實驗的正確預(yù)測。1）對橫向磁場中鐵磁懸臂板磁彈性失穩(wěn)實驗，所給出的臨界磁場預(yù)測值與實驗值的相對誤差均在10%以內(nèi)，而Moon和Pao (美國工程院院士，電磁固體力學(xué)著名學(xué)者)的結(jié)果高出實驗值30-80%；2) 對面內(nèi)磁場中鐵磁懸臂板固有頻率上升實驗，所給出的預(yù)測與實驗規(guī)律一致（其它理論模型的預(yù)測均與實驗規(guī)律相反）；3）對均勻磁場中鐵磁柱殼實驗，所給出的環(huán)向應(yīng)變預(yù)測值與實驗值的相對誤差在20%左右（Moon等人的預(yù)測與實驗的相對誤差超過100%）。由此也有力論證了所提出的磁力表征新模型的正確性。 (電磁固體力學(xué), 代表性論文2)
核心發(fā)現(xiàn)點三：建立了超磁致伸縮材料的一組封閉解析形式的力-磁耦合非線性本構(gòu)關(guān)系，實現(xiàn)了對其全部實驗特征的完整描述�；谖⒂^與宏觀相結(jié)合得到的這一本構(gòu)關(guān)系，所預(yù)測的超磁致伸縮材料在低場、中場和高場情形的本構(gòu)行為均與實驗結(jié)果吻合，并由此從理論上揭示出由原有各本構(gòu)關(guān)系所無法給出的此類材料的若干典型特征和規(guī)律。同時，因其為封閉解析形式和材料參數(shù)易測等明顯優(yōu)點，被發(fā)表在J. Appl. Phys.的文章評價為"是便于應(yīng)用的"（附件2.4）。（電磁固體力學(xué)，代表性論文3）。
重要發(fā)現(xiàn)點一：提出了電磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合非線性力學(xué)行為定量分析的有效方法，實現(xiàn)了對其彎曲、失穩(wěn)、振動和控制等的理論預(yù)測。1）提出的分場迭代耦合遞進的計算模式，解決了具有多場耦合和多重非線性特征的鐵磁板殼結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的定量分析問題；2）采用本項目得到的高精度解析解，率先給出了von Karman型圓板（殼）結(jié)構(gòu)非線性壓電主動控制的定量分析結(jié)果；3）提出的梁板結(jié)構(gòu)壓電振動控制的小波模式，避免了傳統(tǒng)控制模式可能存在的變形識別不唯一和激發(fā)出高階振動的控制失穩(wěn)。(非線性力學(xué), 代表性論文2，4-7)
重要發(fā)現(xiàn)點二：揭示出電磁材料結(jié)構(gòu)在多場耦合作用下的若干關(guān)鍵性特征。1）揭示出了電磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合問題的非線性本質(zhì)特征；2）發(fā)現(xiàn)傾斜磁場中鐵磁懸臂板的變形是磁彈性彎曲而非屈曲問題，并且其微小傾角是影響磁彈性穩(wěn)定性的一個敏感因素；3）澄清了磁通蠕變是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)懸浮體振動中心漂移的主要原因；4）闡明了極低溫環(huán)境中超導(dǎo)體電-磁-熱相互耦合作用發(fā)生磁通跳躍失穩(wěn)的全部實驗特征及其轉(zhuǎn)換機制；5）揭示了外加電場對納米線楊氏模量的影響規(guī)律，并得到美國標準技術(shù)局學(xué)者在NanoTech.上的直接肯定和認同（附件4.1）。（計算固體力學(xué)，代表性論文2，8-10）。
主要完成人： 鄭曉靜
確定研究方向和選題。提出超磁致伸縮材料的本構(gòu)關(guān)系（核心發(fā)現(xiàn)點3）；完成對鐵磁材料結(jié)構(gòu)多場耦合非線性力學(xué)行為的有效定量求解方法研究和求解工作以及和小波求解法的改進（重要發(fā)現(xiàn)點1）；完成超導(dǎo)懸浮系統(tǒng)多場耦合特有效應(yīng)定量揭示和電場對材料楊氏模量影響的研究途徑（重要發(fā)現(xiàn)點2）；合作完成鐵磁材料結(jié)構(gòu)理論模型和理論框架的建立及定量研究（核心發(fā)現(xiàn)點1 與2）等方面的工作。本人從1987年1月至2007年2月累計平均將本人工作量的55%以上投入到本項目的研究中。
周又和
提出鐵磁彈性體廣義變分原理并完成對模型的理論分析（核心發(fā)現(xiàn)點1和2）、提出超導(dǎo)載流磁體的半解析分析方法并完成定量分析和非線性柔韌結(jié)構(gòu)與壓電圓板熱-電-力耦合主動控制問題的系列研究、提出壓電動力控制的小波控制模型（重要發(fā)現(xiàn)點1，2）和完成超導(dǎo)磁通跳躍失穩(wěn)的理論研究（重要發(fā)現(xiàn)點2）；合作完成對超磁致材料結(jié)構(gòu)行為的定量求解（核心發(fā)現(xiàn)點3）等。本人從1987年1月至2007年2月累計平均將本人工作量的60%以上投入到本項目的研究中。
主要完成單位：
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